丙烯丙烷分離塔耐壓試驗方案比選

白建濤

（惠生工程（中國）有限公司，上海 201210）

隨著化工行業飛速發展，化工裝置的規模越來越大，相應的設備規格尺寸也越來越大。由于運輸限制，超高、超寬的大型超限設備大多采用在設備制造廠分段或分片制造，到安裝現場組焊，組焊完成后進行現場無損檢測和耐壓試驗。對于大型超限設備，耐壓試驗方案不同會得到不同的壁厚設計結果。

根據某丙烷脫氫項目大型關鍵設備—丙烷丙烯分離塔的設計參數和結構特點，進行了不同耐壓試驗方案下的壁厚計算，對比各種耐壓試驗方案優缺點，對耐壓試驗方案進行了比選。

1 耐壓試驗的目的及分類

壓力容器耐壓試驗是壓力容器建造過程中的最終檢驗環節，其目的在于全面綜合檢驗產品的整體強度和密封性能，對容器選材、設計計算、結構以及制造質量進行綜合性檢查［1］。

耐壓試驗是確保壓力容器產品質量的重要手段，是壓力容器驗收的重要依據。壓力容器通過耐壓試驗過程中的短期超壓，有可能降低局部區域的峰值應力，使應力分布更均勻，還可以鈍化裂紋尖端，使裂紋產生閉合效應，使壓力容器在正常工作工況下的運行更安全。

耐壓試驗根據試驗介質不同分為3類［2］。

（1）液壓試驗；

（2）氣壓試驗；

（3）氣液組合試驗。

塔器耐壓試驗一般采用液壓試驗，對于不適宜進行液壓試驗的塔器，可采用氣壓試驗或氣液組合壓力試驗［3］。液壓試驗根據設備的位置狀態分為臥置液壓試驗和立置液壓試驗，由于液體的可壓縮比非常小，液壓試驗時，一旦設備發生液體泄漏，會很快釋放能量，使容器的壓力大幅度下降，造成的安全事故相對較小。氣壓試驗的試驗介質通常為空氣，空氣的可壓縮性大，氣壓試驗過程中，一旦容器發生泄漏或爆炸，氣體很快能釋放積聚的能量，產生爆炸沖擊波，造成的破壞極大。

考慮到耐壓試驗過程的安全性，耐壓試驗一般優先選用液壓試驗。由于基礎承載能力受限等原因不能進行液壓試驗，而進行氣壓試驗耗時又過長，氣液組合試驗是1種替代耐壓試驗方案。壓力容器設計人員必須根據國家標準、塔器本身情況、制造及安裝現場等綜合情況，并與業主及項目各參與方及時溝通，最終確定耐壓試驗方案［4］。

2 丙烷丙烯分離塔結構和設計參數

某項目丙烯丙烷分離塔是立式裙座支撐的塔器，用于分離丙烷和丙烯的精餾塔。丙烯丙烷分離塔結構主要包括筒體、封頭、裙座、塔盤、塔頂吊柱、梯子平臺、人孔及其它接管和法蘭等。

該設備筒體內徑為Φ9 600 mm，2 封頭切線間距離87 500 mm，塔高100 255 mm，容積6 573 m3，塔盤數量215層。設備筒體、封頭材料及裙座筒體材料采用Q345R 板材。該設備設計依據的規范和標準為TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》、GB/T150-2011《壓力容器》及NB/T47041-2014《塔式容器》。該設備的設計參數見表1。

表1 設計參數表

根據丙烯丙烷分離塔的結構和設計參數可以看出，該設備為低壓、大直徑、超高塔。

3 不同耐壓試驗方案的比選

3.1 臥置液壓試驗方案

初步計算丙烯丙烷分離塔圓筒的計算厚度，根據標準GB/T150.3-2011的式3-1得出：

式中δ—圓筒的計算厚度，mm；Pc—計算壓力，考慮到塔釜液位液柱靜壓力0.015 MPa，計算壓力=設計壓力+液柱靜壓力=0.95+0.015=0.965 MPa；Di—圓筒內直徑，9 600 mm；[σ]t—設計溫度下圓筒材料許用應力，184.2 MPa；Φ—焊接接頭系數，1.0。

考慮到腐蝕裕量和鋼板負偏差，筒體開孔補強等因素，圓筒壁厚、上下封頭及裙座筒體壁厚取32 mm。按此厚度是利用SW6 計算軟件進行初步試算。

按標準GB/T150.1-2011 式（5），計算得出立置液壓試驗壓力為1.17 MPa。考慮到立式容器如采用臥置進行液壓試驗時，試驗壓力應計入立置試驗時的液柱靜壓力，計入液柱靜壓力后的臥置水壓試驗壓力為2.05 MPa。

從試算結果可以得到，圓筒和封頭的最大許用內壓是1.10 MPa，內壓校核合格，考慮地震、風和偏心載荷的σA1—軸向最大組合拉應力及σA2—軸向最大組合應力計算合格。σA3—液壓試驗時軸向最大組合拉應力σA4—液壓試驗時軸向最大組合壓應力都校核合格。

但經計算得到，筒體和下封頭連接處截面由液壓試驗引起的周向應力為343.75 MPa，而許用值為0.9 倍的屈服極限=0.9×325=292.5 MPa，校核結果不合格。

由于設備筒體高度較高，為全面檢測設備的綜合性能，臥置液壓試驗需要考慮立置液壓試驗液柱靜壓力。由于臥置水壓試壓壓力校大，使得計算結果為不合格，需要增加設備壁厚，筒體，封頭和裙座壁厚增加到40 mm，才能計算通過。此方案設備殼體凈質量約為1 105 t。

3.2 立置液壓試驗方案

如丙烷丙烯分離塔采用立置液壓試驗方案，設備筒體可以分段選取不同的壁厚，既能滿足設備安全運行，又可以節約材料成本。計算采用了Pvdesk top 軟件進行了設備結構計算，該軟件既能考慮臥置水壓試驗，又能設置立置水壓試驗的充水位置。

塔器的壁厚分段位置還要考慮設備塔盤接開孔接管的位置，筒體的分段方案為：筒體1 的長度為12 200 mm，筒體2 的長度為12 100 mm，筒體3的長度為12 000 mm，筒體4 的長度為41 000 mm，筒體5的長度為6 900 mm（考慮此部位為軸式吊耳位置），筒體6的長度為3 200 mm。

經計算，最終壁厚設計方案為：筒體1 壁厚為40 mm，筒體2壁厚為38 mm，筒體3壁厚為36 mm，筒體4 壁厚為34 mm，筒體5 壁厚為60 mm，筒體6壁厚為32 mm，底部封頭壁厚為40 mm，頂部封頭壁厚為32 mm，裙座壁厚為44 mm。該方案設備殼體凈質量約為995 t。

3.3 氣壓試驗方案

如果塔器殼體壁厚采用的是32 mm，按照標準GB/T150.1-2011 中的式（6）得出氣壓試驗壓力為1.05 MPa。

采用Pvdesktop 軟件按氣壓試驗方案進行計算，壁厚設計方案為：筒體1 的壁厚為36 mm，筒體2 的壁厚為34 mm，筒體3 的壁厚為32 mm，筒體4的壁厚為32 mm，筒體5 的壁厚為60 mm，筒體6 的壁厚為32 mm，底部封頭的壁厚為36 mm，頂部封頭的壁厚為32 mm，裙座的壁厚為38 mm。該方案設備殼體凈質量約為931 t。

3.4 氣液組合試驗方案

如塔器采用氣液組合方案，其試驗壓力與氣壓試驗相同。氣液組合試驗充水高度按距離下封頭切線為20 m 考慮，通過Pvdesk top 軟件計算，得出的壁厚設計方案為：筒體1 的壁厚為38 mm，筒體2 的壁厚為34 mm，筒體3 的壁厚為32 mm，筒體4 的壁厚為32 mm，筒體5 的壁厚為60 mm，筒體6的壁厚為32 mm，底部封頭的壁厚為38 mm，頂部封頭的壁厚為32 mm，裙座的壁厚為38 mm。該方案設備殼體凈質量約為935 t。

4 結束語

綜合考慮丙烷丙烯分離塔的耐壓試驗方案的優缺點，得出氣壓試驗方案設備殼體凈質量最小，設備成本最低，但安全性最差；臥置液壓試驗方案設備殼體凈質量最大，設備成本最高，相對來說最安全；氣液組合試驗是折中方案。

大型設備現場耐壓方案應綜合考慮安全性、基礎承載能力、設備特點（如結構原因不能將殘液排凈，容器又不允許殘液存在）、現場取水或排水的條件、現場氣源、經濟性、吊裝和運輸等綜合情況。大型設備耐壓試驗方案如采用液壓試驗，對基礎承載能力要求高，用水量巨大，進水和排水時間長，需要找尋排水地點。大型設備耐壓試驗方案如采用氣壓試驗，由于其體積巨大，一旦試驗失敗，產生的危害性極大，需要氣壓試驗單位的安全管理部門制定應急預案［5］，試驗時撤走無關人員，并派人現場監督試驗過程。經業主與項目各參與方進行技術交流后，最終選用的氣液組合試驗方案，目前該項目已開車成功，設備運行良好。